Персоналии

Показаны основные факторы, определяющие требования к герметизации микромеханических устройств и систем (МЭМС). Проанализированы применительно к герметизации МЭМС методы обработки материалов и создания трехмерных структур, используемые в микросистемной технике. Рассмотрены различные технологические варианты вакуумной герметизации микросистем,  тенденции развития данной области.

• Просмотров: 1450 | Комментариев : 0

С позиций статистической термодинамики проведен анализ механизмов отказов и процессов химической кинетики, определяющих надежность изделий микросистемной техники. Впервые предпринята попытка использовать модифицированное уравнение Гиббса в форме Семенченко для задач исследования механизмов отказов изделий.

• Просмотров: 1473 | Комментариев : 0

Совершенствование микромеханических акселерометров актуально в связи с расширением областей их применения и использованием подобных приборов в жестких условиях эксплуатации. В работе исследованы сэндвич-конструкции чувствительного элемента (ЧЭ) микромеханического акселерометра со складчатыми пружинами с точки зрения обеспечения высокой чувствительности к воздействию ускорения, стойкости к изменениям температуры и остаточным механическим напряжениям в конструктивных элементах при относительной простоте технологии их изготовления. Моделирование выполнено в программе ANSYS. Зазоры между подвижным и неподвижными электродами увеличены по сравнению с аналогами до 20 мкм. Показано, что высокая чувствительность к изменениям ускорения обеспечивается за счет оптимизации конструкции ЧЭ, использования складчатых пружин с пониженными значениями коэффициента жесткости. Установлено, что изменение емкости под действием ускорения по рабочей оси Z почти в 20 раз больше изменения емкостей по осям X и Y . Выяснено, что влияние температуры в пределах от -40 до +85 ºC на изменения емкостей по рабочей оси Z несущественно и не превышает ±0,003 пФ. Механические напряжения, которые возникают в конструктивных элементах ЧЭ при ускорении до 50 g, не превышают 2,29 МПа, в то время как кремний имеет прочность 440 МПа. Установлено, что собственная частота колебаний второй моды ЧЭ микромеханического акселерометра не влияет на собственную частоту колебаний ЧЭ по первой моде из-за существенного различия этих частот примерно на 2 кГц. Анализ показал, что исследованные сэндвич-конструкции ЧЭ характеризуются высокой чувствительностью и стабильностью параметров при относительной простоте изготовления.

• Просмотров: 1900 | Комментариев : 0

В микроэлектромеханических приборах и системах резонаторы используются в конструкциях генераторов, датчиков инерциально-навигационных систем, СВЧ-приемопередатчиков и других устройств. В работе исследовано изменение собственной частоты характерных конструкций резонаторов из кремния с различной кристаллографической ориентаций под воздействием механической силы, представлены результаты моделирования в программе ANSYS. Исследовано влияние на собственные частоты резонатора термоупругого демпфирования, происходящего в результате механических колебаний, а также остаточного напряжения, возникающего в структуре резонатора вследствие различия технологий изготовления. Рассчитана добротность четырех типов конструкций резонаторов с помощью программы COMSOL. В результате проведенных исследований выбрана оптимальная конструкция резонатора для частотных акселерометров, у которых добротность больше. Даны рекомендации по выбору оптимальной конструкции резонатора и кристаллографической ориентации кремния для повышения чувствительности и стабильности параметров частотного микроакселерометра. Полученные результаты предполагается использовать в реальных конструкциях разрабатываемых микроэлектромеханических приборов.

• Просмотров: 2809 | Комментариев : 0

Частотный микромеханический акселерометр (ММА) используется для измерения ускорения на основе изменения частоты резонатора, которое возникает при воздействии ускорения в результате смещения инерционной массы. На его чувствительность могут влиять вибрационные шумы, температура и т.д. В работе с помощью расчета и моделирования в программе ANSYS исследовано влияние температуры на собственную частоту колебаний резонаторов частотных ММА различных конструкций. Показано, что в ряде конструкций резонаторов частотных ММА изменение частоты колебания ∆ f , вызванное повышением температуры, сопоставимо и даже превышает изменение частоты колебаний в результате воздействия ускорения. Установлено, что известные конструкции резонаторов, работающих на основе колебаний двухфиксированной балки, не обеспечивают стабильность собственной частоты колебаний при изменении температуры. У резонаторов, работающих на основе колебания консольной балки, частота практически не изменяется при повышении температуры. Наилучший результат с точки зрения температурной стабильности показал резонатор в виде консольной балки с балочным резонатором внутри нее, для которого изменение ∆ f  при повышении температуры до 70 °С составило всего 4 Гц. Исследование основного конструктива ММА, состоящего из инерционной массы с резонатором, выполненным в виде консольной балки с балочным резонатором внутри нее, показало неизменность собственной частоты колебаний этого конструктива при повышении температуры до 70 °С. При этом чувствительность составляла 130 Гц/g и не зависела от температуры.

• Просмотров: 1996 | Комментариев : 0

При использовании емкостного принципа измерения в высокопроизводи-тельных микромеханических акселерометрах обеспечиваются низкий уровень шумов и энергопотребления, экономическая эффективность и надежность. Емкостные чувствительные элементы на основе изменения зазора между электродами, как правило, требуют управления с обратной связью, что повышает уровень сложности измерительной схемы и энергопотребление. Емкостные чувствительные элементы с изменением площади перекрытия электродов имеют хорошую линейность зависимости емкости от перемещения и большой диапазон измерений, но изготовить их труднее. В работе представлена и исследована модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции микромеханического акселерометра емкостного типа, функционирование которого основано на использовании изменения относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсаторов за счет введения подвижной инерционной массы между электродами конденсаторов, перемещающейся под действием ускорения. В результате происходит изменение емкости в выходной измерительной цепи. Показано, что рассматриваемая модель обеспечивает высокую чувствительность к воздействию ускорения, стойкость к изменениям температуры и низкое остаточное механическое напряжение в чувствительном элементе. Моделирование и расчеты выполнены с применением программ Ansys и SolidWorks. Получено, что перемещение подвижной массы по оси чувствительности X более чем в 5 раз превышает перемещение подвижной массы по нерабочим осям, а изменение емкости между электродами по оси X почти в 2500 раз больше, чем изменения емкостей между электродами по нерабочим осям Z и Y . Расчеты показали, что при всех значениях воздействующего ускорения (до 30 g) механическое напряжение в чувствительном элементе значительно меньше предела прочности кремния, равного 440 МПа. Установлено, что вариации температуры от -40 до +85 С приводят к незначительным изменениям емкости по рабочей оси (0,0025-0,003 пФ). Это свидетельствует о температурной стабильности работы исследованного чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Результаты анализа показали, что разработанная и исследованная модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции обеспечивает высокую чувствительность микромеханического акселерометра и стабильность его параметров.

• Просмотров: 956 | Комментариев : 0

Для обеспечения надежной работы и стабильности параметров датчиков необходимо учитывать воздействие внешних факторов уже на этапе проектирования конструкции датчика, особенно его чувствительного элемента, и на последующих этапах жизненного цикла. Важнейшими элементами конструкции чувствительного элемента, в частности емкостного микромеханического акселерометра, являются подвесы, с помощью которых инерционная масса соединяется с неподвижной рамкой. В работе исследованы характерные конструкции элементов подвеса, выполненных из кремния с различной кристаллографической ориентацией, представлены результаты моделирования их важнейших параметров. Моделирование выполнено с использованием программы ANSYS. Рассчитаны собственные частоты колебаний инерционной массы, остаточные механические напряжения в элементах конструкции чувствительного элемента микромеханического акселерометра при ударе (до 10 000 g). Исследованы изменения собственной частоты колебаний и остаточного механического напряжения в элементах подвеса при изменении температуры от +150 до -150 °С за короткий интервал времени (10 с), что соответствует термическому удару. Результаты проведенных исследований остаточных механических напряжений, возникающих при ударе, и собственных частот колебаний инерционной массы позволили выработать рекомендации по выбору конструкции подвесных элементов из кремния, обеспечивающих высокую чувствительность и стабильность параметров микромеханического акселерометра. Установлено, что использование складчатых пружин с прямоугольной или круглой формой сечения при толщине элементов подвеса 40 мкм обеспечивает наибольшую температурную стабильность параметров. Полученные результаты полезны при разработке реальных конструкций микромеханических акселерометров и других микромеханических приборов.

• Просмотров: 728 | Комментариев : 0

Для современных информационных, измерительных и оптико-электрон-ных систем на основе микро- и наномеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения актуальным является обеспечение их устойчивого функционирования при наличии внешних воздействующих факторов. В работе представлены результаты исследования воздействия случайной вибрации на характеристики микромеханических акселерометров (ММА), полученные с использованием вибростенда LDS V455. Зависимость спектральной плотности виброускорения от частоты одного из образцов, предназначенного для измерений ускорения в диапазоне до ±1,2 g, имеет заметное смещение от заданного ее профиля. Для установления причин такого несоответствия исследована конструкция чувствительного элемента (ЧЭ) ММА при воздействии случайной вибрации. Расчеты и моделирование выполнены в программе ANSYS. Определены деформации ЧЭ ММА по оси чувствительности Z и изменения емкости при воздействии ускорения и случайной вибрации по осям X , Y и Z с учетом кристаллографической ориентации материала ЧЭ - кремния. Рассмотрено влияние кристаллографической ориентации кремния, используемого для изготовления ЧЭ ММА, на деформацию (отклонение) ротора. Приведенные результаты теоретического и экспериментального исследований, а также компьютерного моделирования совпадают, что позволяет совершенствовать конструкцию ЧЭ ММА.

• Просмотров: 1055 | Комментариев : 0

Для обеспечения надежной работы и стабильности параметров микромеханических акселерометров (ММА) необходимо учитывать различные виды паразитных воздействий на этапе проектирования структуры чувствительного элемента (ЧЭ) и конструкции датчика в целом, а также на этапах их жизненного цикла. Учет реальных условий эксплуатации датчиков является одной из основных проблем разработчиков. В работе исследовано влияние случайной вибрации на функционирование двухэлектродного ЧЭ ММА сэндвич-конструкции емкостного типа, принцип работы которого основан на изменении относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора при воздействии ускорения. В рассматриваемом ЧЭ ММА с одной осью чувствительности инерционная масса подвешена на складчатых пружинах и находится между двумя фиксированными электродами. С использованием программы Ansys рассчитаны деформации инерционной массы и изменения емкости в ЧЭ ММА, возникающие при воздействии на него ускорения до 5 g по рабочей оси и до 50 g по нерабочим осям, а также случайной вибрации по рабочей оси Х и по нерабочим осям Y и Z . Воздействующая на ЧЭ ММА случайная вибрация имеет профиль, частота которого составляет 20 Гц при 0,01 g /Гц, от 80 до 350 Гц при 0,04 g /Гц, 2000 Гц при 0,01 g /Гц. Рассчитаны изменения емкости в ЧЭ ММА в условиях воздействия на него случайной вибрации. Полученные результаты подтверждают работоспособность ЧЭ ММА в условиях значительных воздействий по нерабочим осям. Для использования в условиях воздействия случайной вибрации исследованная модель ЧЭ ММА требует дальнейшей доработки.

• Просмотров: 455 | Комментариев : 0

Обеспечение надежности функционирования МЭМС-устройств является важнейшей задачей, стоящей перед разработчиками. Ввиду разнообразия конструкций и используемых материалов в MЭМС-устройствах возможно возникновение различных механизмов отказа. Большинство подобных устройств содержит подвижные части конструкции. Усталостные свойства используемых конструктивных материалов и их старение при длительной повторяющейся циклической нагрузке могут привести к отказу, что непосредственно влияет на надежность устройства. В работе проанализированы усталостные свойства и надежность работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра (ЧЭ ММА) сэндвич-конструкции емкостного типа, выполненного из кремния. Рассчитаны число циклов периодического воздействия для наступления отказа и интенсивность отказов ЧЭ ММА. Учтена кристаллографическая ориентация плоскости поверхности кремния - материала ЧЭ ММА. Результаты моделирования показали, что ЧЭ ММА, изготовленный из кремниевого материала, может быть достаточно прочным для приложений общего назначения.

• Просмотров: 322 | Комментариев : 0

Проведено исследование влияния газового демпфирования на ширину полосы пропускания микроакселерометров маятникового типа. Установлено, что для увеличения ширины пропускания необходимо обеспечить остаточное давление внутри объема корпуса не более 1-5·10-1 мм рт. ст. Данное условие реализуемо с помощью разработанной технологии герметизации микроэлектромеханических приборов в металлостеклянных корпусах.

• Просмотров: 250 | Комментариев : 0

Изложены результаты исследования и разработки технологических процессов сборки и монтажа деталей МЭМС, использованные для изготовления работоспособных макетных образцов

• Просмотров: 1284 | Комментариев : 0

Исследованы возможности корректировки параметров микроэлектромеханических кольцевых датчиков угловой скорости с помощью балансировки, осуществляемой изменением массы отдельных сегментов кольца, и оптимизации внутрикорпусного давления в процессе изготовления таких приборов. Получены положительные результаты для опытных образцов. Предложен алгоритм реализации балансировки посредством изменения массы сегментов кольца, позволяющий уменьшить разность резонансных частот колебаний кольца в различных направлениях.

• Просмотров: 1446 | Комментариев : 0

При создании микромеханических резонансных акселерометров необходимо обеспечить высокую чувствительность прибора, которая непосредственно связана с амплитудой отклонения инерционной массы под действием ускорения. Увеличение инерционной массы приводит к повышению чувствительности датчика. Использование различных подвесов обеспечивает высокую чувствительность датчика при малых размерах инерционной массы. Представлена математическая модель прямоугольной складчатой кремниевой балки микромеханического резонансного акселерометра, получено соотношение для определения коэффициента жесткости складчатой пружины, применяемой в ряде конструкций микромеханических датчиков, приведены результаты расчета ее параметров. С помощью программы ANSYS проведено моделирование складчатой балки, подтвердившее результаты расчета. Результаты расчета коэффициента жесткости складчатой балки сравниваются с данными из других источников. Учет остаточного напряжения (до 100 МПа) показал снижение деформации балки на 2,92-3,7 % в зависимости от ориентации кремния. Использование складчатых балок компактных размеров позволяет повысить эффективность работы резонатора, добиться большего смещения в направлении воздействия ускорения и стабильности положения инерционной массы в других направлениях, учитывая гибкость и жесткость в разных направлениях.

• Просмотров: 2329 | Комментариев : 0

Электростатический актюатор применяется в конструкциях микромеханических акселерометров, гироскопов, вибромоторов и других приборов. Изменение величины зазора между гребенками ротора и статора разных форм влияет на электростатическую силу. В микроэлектромеханических датчиках актюатор гребенчатой конструкции используется для возбуждения колебаний резонатора. В работе получено уточненное уравнение для расчета электростатической силы актюатора гребенчатой и балочной конструкций. С помощью моделирования в программе ANSYS исследовано влияние величины перекрытия между зубцами гребенок на электростатическую силу и емкость, а также изменение частоты колебаний резонатора при воздействии силы. Аналогичные исследования выполнены для резонатора балочной конструкции. Применение как балочной, так и гребенчатой конструкции с малым перекрытием зубцов гребенок позволяет уменьшить паразитные электростатические силы (по осям y , z ) и повысить чувствительность частотного микроакселерометра за счет большего изменения частоты колебаний резонатора при воздействии силы.

• Просмотров: 2457 | Комментариев : 0

Надежная эксплуатация механических датчиков угловой скорости и линейного ускорения возможна при обеспечении их устойчивого функционирования под воздействием внешних факторов. В работе на вибростенде LDS V455 исследованы механические воздействия широкополосной (синусоидальной) вибрации и ударов на экспериментальные образцы микромеханических акселерометров. Полученные амплитудно-частотные характеристики экспериментальных образцов использованы для оценки их качества, которое выражается в линейности в достаточно широком частотном диапазоне и отсутствии резонансных пиков. С помощью вибростенда заданы интенсивность и продолжительность удара. Результаты экспериментов показали, что ударная нагрузка отрабатывается неодинаково для образцов механических акселерометров, рассчитанных на разные диапазоны значений измеряемого ускорения. Выяснено, что выходной сигнал у образцов в диапазоне измерений ускорения ±1,2 g ограничен сверху, у образцов в диапазоне до ±5 g сигнал не входит в заданный профиль. Установлено, что образцы ПЛУ 5-17 хорошо отрабатывают профиль удара. Показано, что допустимая ударная нагрузка на образцы механических акселерометров должна подбираться с учетом откликов, т.е. выходных сигналов при ударном воздействии.

• Просмотров: 1177 | Комментариев : 0

На этапе предварительного проектирования топологии чувствительного элемента микромеханического акселерометра необходимо иметь определенный набор критериев его надежности. В работе на основе математического анализа сделано уточнение и обобщение формул для оценки момента упругости и жесткости торсионов чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Получен тривиальный критерий работоспособности чувствительного элемента. Намечен путь создания эридитарной системы моделей для оценки работоспособности микромеханического акселерометра с учетом термомеханических воздействий окружающей среды.

• Просмотров: 2065 | Комментариев : 0

Рассмотрены два подхода, используемые для обоснования моделей надежности: физико-вероятностный и физико-статистический, показана их эквивалентность.

• Просмотров: 1428 | Комментариев : 0